Widerstandsfähigkeit

Resistivity ist eine Eigenschaft eines Materials, die dessen Fähigkeit charakterisiert, den Durchtritt von elektrischem Strom zu verhindern.

-Eigenschaften von Elektromaterialien

Das Hauptmerkmal in der Elektrotechnik ist die spezifische elektrische Leitfähigkeit, gemessen in cm / m. Sie dient als Proportionalitätskoeffizient zwischen dem Feldstärkevektor und der Stromdichte. Es wird oft mit dem griechischen Buchstaben gamma γ bezeichnet. Der spezifische Widerstand wird als Kehrwert der elektrischen Leitfähigkeit erkannt. Infolgedessen wird die oben erwähnte Formel: Die Stromdichte ist direkt proportional zur Feldstärke und umgekehrt proportional zum spezifischen Widerstand des Mediums. Die Einheit wird zu Omm

Das betrachtete Konzept ist nicht nur für feste Medien relevant. Zum Beispiel wird der Strom von flüssigen Elektrolyten und ionisierten Gasen durchgeführt. Daher ist es in jedem Fall zulässig, das Konzept des spezifischen Widerstands einzuführen, da eine elektrische Ladung das Medium durchläuft. Es ist schwierig, die Werte in den Nachschlagewerken zu finden, zum Beispiel für den Schweißlichtbogen aus einem einfachen Grund - sie sind nicht ausreichend in solche Aufgaben eingebunden. Dies wird nicht beansprucht. Seit der Entdeckung von Davys Glühen der Platinplatte durch elektrischen Strom ein Jahrhundert vergangen war, bevor Glühbirnen in den alltäglichen Gebrauch kamen, wurde die Bedeutung und Bedeutung der Entdeckung aus einem ähnlichen Grund nicht sofort erkannt.

Abhängig vom Widerstandswert werden die Materialien unterteilt:

1. Für Leiter - weniger als 1/10000 Ohm
2. Für Dielektrika - mehr als 100 Millionen Ohm
3. Je nach den spezifischen Widerstandswerten gibt es zwischen Dielektrika und Leiter.

Diese Werte kennzeichnen ausschließlich die Fähigkeit des Körpers, dem Durchtritt von elektrischem Strom zu widerstehen, und wirken sich nicht auf andere Aspekte aus( Elastizität, Wärmebeständigkeit).Zum Beispiel sind magnetische Materialien Leiter, Dielektrika und Halbleiter.

Wie Leitfähigkeit in einem Material gebildet wird

In der modernen Physik werden Widerstand und Leitfähigkeit gewöhnlich durch die Zonentheorie erklärt. Es ist anwendbar auf feste kristalline Körper, deren Gitteratome stationär gemacht werden. Nach diesem Konzept wird die Energie von Elektronen und anderen Ladungsträgern nach den festgelegten Regeln bestimmt. Das Material besitzt drei Hauptzonen:

• Die Valenzzone enthält Elektronen, die mit Atomen assoziiert sind. In diesem Bereich wird die Elektronenenergie schrittweise abgestuft und die Anzahl der Ebenen ist begrenzt. Die äußeren Schichten des Atoms.
• Verbotene Zone. In diesem Bereich sind Ladungsträger nicht berechtigt. Sie dient als Grenze zwischen den beiden anderen Zonen. Metalle fehlen oft.
• Die Freizone befindet sich oberhalb der beiden vorherigen. Hier beteiligen sich Elektronen frei an der Erzeugung von elektrischem Strom und jeglicher Energie. Keine Stufen

-Dielektrika zeichnen sich durch die höchste Position der Freizone aus. Bei allen auf der Erde vorstellbaren natürlichen Bedingungen leiten die Materialien keinen elektrischen Strom. Große Breite und Bandlücke. Metalle haben eine Masse an freien Elektronen. Und das Valenzband wird gleichzeitig als Leitungsbereich betrachtet - es gibt keine verbotenen Zustände. Folglich haben diese Materialien einen geringen Widerstand.

-Widerstände An der Grenzfläche von Atomkontakten werden intermediäre Energieniveaus gebildet, und es treten ungewöhnliche Effekte auf, die von der Halbleiterphysik genutzt werden. Heterogenitäten werden absichtlich durch die Einführung von Verunreinigungen( Akzeptoren und Spendern) erzeugt. Infolgedessen werden neue Energiezustände gebildet, die sich im Prozess des elektrischen Stromflusses als neue Eigenschaften manifestieren, die das Ausgangsmaterial nicht besaß.

-Halbleiter haben eine verbotene Bandbreite. Unter Einwirkung äußerer Kräfte können Elektronen den Valenzbereich verlassen. Die Ursache ist elektrische Spannung, Wärme, Strahlung und andere Auswirkungen. In Dielektrika und Halbleitern gehen die Elektronen mit abnehmender Temperatur auf niedrigere Werte über, wodurch das Valenzband gefüllt wird und das Leitungsband frei bleibt. Es fließt kein elektrischer Strom. Gemäß der Quantentheorie wird die Halbleiterklasse als Materialien mit einer Bandlücke von weniger als 3 eV charakterisiert.

Fermi Energy

Die Fermi-Energie nimmt in der Leitfähigkeitstheorie einen wichtigen Platz ein, Erklärungen für Phänomene, die in Halbleitern auftreten. Feinheiten fügen vage Definitionen des Begriffs in der Literatur hinzu. Ausländische Literatur sagt, dass das Fermi-Niveau ein bestimmter Wert in eV ist und die Fermi-Energie die Differenz zwischen ihm und dem niedrigsten Wert in einem Kristall ist. Hier sind die ausgewählten allgemeinen und verständlichen Sätze:

1. Das Fermi-Niveau ist das Maximum von allem, was einem Elektron in Metallen bei einer Temperatur von 0 K inhärent ist. Daher ist die Fermi-Energie die Differenz zwischen dieser Zahl und dem minimalen Pegel am absoluten Nullpunkt.
2. Das Fermi-Energieniveau - die Wahrscheinlichkeit, Elektronen zu finden, beträgt bei allen Temperaturen außer dem absoluten Nullpunkt 50%.

Die Fermi-Energie wird nur für eine Temperatur von 0 K bestimmt, während der Pegel unter allen Bedingungen vorhanden ist. In der Thermodynamik beschreibt das Konzept das volle chemische Potenzial aller Elektronen. Das Fermi-Niveau ist definiert als die Arbeit, die für das Hinzufügen eines Objekts durch ein einzelnes Elektron aufgewendet wird. Der Parameter bestimmt die Leitfähigkeit des Materials und hilft, die Physik von Halbleitern zu verstehen.

Das Fermi-Niveau ist nicht unbedingt physisch vorhanden. Es gab Fälle, in denen sich der Durchgangsort in der Mitte der verbotenen Zone befand. Physisch existiert der Pegel nicht, dort gibt es keine Elektronen. Der Parameter ist jedoch mit einem Voltmeter bemerkbar: Die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten des Schaltkreises( Anzeigen auf dem Display) ist proportional zur Differenz zwischen den Fermi-Pegeln dieser Punkte und umgekehrt proportional zur Elektronenladung. Einfache Sucht. Es ist zulässig, diese Parameter mit der Leitfähigkeit und dem spezifischen Widerstand zu verbinden, wobei das Ohmsche Gesetz für den Kettenabschnitt verwendet wird.

Werkstoffe mit geringem spezifischen Widerstand

Die Leiter umfassen die meisten Metalle, Graphit und Elektrolyte. Solche Materialien haben einen geringen Widerstand. In Metallen bilden positiv geladene Ionen Kristallgitterstellen, die von einer Elektronenwolke umgeben sind. Sie werden üblicherweise als Eintritt in das Leitungsband bezeichnet.

Obwohl es nicht vollständig verstanden wird, was ein Elektron ist, wird es üblicherweise als Teilchen beschrieben, das sich mit einer thermischen Geschwindigkeit von mehreren hundert Kilometern pro Sekunde in einem Kristall bewegt. Dies ist viel mehr als nötig ist, um ein Raumfahrzeug in den Orbit zu bringen. Gleichzeitig erreicht die Driftgeschwindigkeit, die unter Einwirkung eines Intensitätsvektors einen elektrischen Strom bildet, kaum einen Zentimeter pro Minute. Das Feld ist in einer Umgebung mit Lichtgeschwindigkeit( 100.000 km / s) verteilt.

Als Ergebnis dieser Beziehungen wird es möglich, die Leitfähigkeit in physikalischen Größen auszudrücken( siehe Abbildung):

• -Elektronenladung, z.
• Konzentration der freien Träger, n.
• Elektronenmasse, ich.
• Thermische Geschwindigkeit der Ladungsträger,
• Elektronendurchschnittlicher freier Weg, l.

Der Fermi-Spiegel für Metalle liegt im Bereich von 3 bis 15 eV, und die Konzentration der freien Ladungsträger ist nahezu temperaturunabhängig. Daher wird die spezifische Leitfähigkeit und damit der Widerstand durch die Struktur des Molekülgitters und seine Nähe zum Ideal( Defektfreiheit) bestimmt. Die Parameter bestimmen die Länge des freien Weges der Elektronen. Es ist leicht in Nachschlagewerken zu finden, wenn Berechnungen erforderlich sind( z. B. zur Bestimmung des spezifischen Widerstands).

Metalle mit einem kubischen Gitter haben die beste Leitfähigkeit. Kupfer ist hier ebenfalls enthalten.Übergangsmetalle zeichnen sich durch einen viel höheren spezifischen Widerstand aus. Die Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur und hohen Wechselstromfrequenzen ab. Im letzteren Fall wird ein Hauteffekt beobachtet. Temperaturabhängigkeit linear über einer bestimmten Grenze, benannt nach dem niederländischen Physiker Peter Debye.

Markierte und nicht so geradlinige Abhängigkeiten. Zum Beispiel erhöht die Temperaturbehandlung von Stahl die Anzahl der Defekte, was die Leitfähigkeit des Materials naturgemäß verringert. Eine Ausnahme von der Regel war das Glühen. Der Prozess verringert die Defektdichte, wodurch der spezifische Widerstand abnimmt. Verformung wirkt hell. Bei einigen Legierungen führt die spanabhebende Bearbeitung zu einem deutlichen Anstieg des spezifischen Widerstands.

Materialien mit hohem spezifischem Widerstand

Manchmal ist es erforderlich, den spezifischen Widerstand gezielt zu erhöhen. Eine ähnliche Situation tritt in Fällen mit Heizgeräten und elektronischen Schaltungswiderständen auf. Dann kommen Legierungen mit hohem spezifischem Widerstand( mehr als 0,3 µOm m).Bei Verwendung als Teil von Messgeräten wird das Erfordernis eines minimalen Potentials an der Schnittstelle zum Kupferkontakt dargestellt.

Das berühmteste war Nichrom. Heizvorrichtungen sind oft aus billigem Fehrle( spröde, aber billig) aufgebaut. Je nach Verwendungszweck sind Kupfer, Mangan und andere Metalle in den Legierungen enthalten. Es ist ein teures Vergnügen. Zum Beispiel kostet ein Manganin-Widerstand 30 Cent für Aliexpress, wo die Preise traditionell niedriger sind als die Ladenpreise. Es gibt sogar eine Legierung aus Palladium mit Iridium. Der Preis des Materials sollte nicht laut ausgesprochen werden.

Leiterplattenwiderstände werden häufig aus reinen Metallen in Form von Sputterfilmen hergestellt. Chrom, Tantal, Wolfram, Legierungen werden unter anderem Nichrom verwendet.

-Substanzen, die keinen elektrischen Strom leiten

-Dielektrika zeichnen sich durch einen beeindruckenden spezifischen Widerstand aus. Dies ist kein Hauptmerkmal. Dielektrische Materialien umfassen Materialien, die in der Lage sind, die Ladung unter der Wirkung eines elektrischen Feldes umzuverteilen. Als Ergebnis tritt eine Akkumulation auf, die in Kondensatoren verwendet wird. Der Umladungsgrad der Ladung ist durch die Dielektrizitätskonstante gekennzeichnet. Der Parameter zeigt, wie oft die Kapazität des Kondensators ansteigt, wobei anstelle von Luft ein bestimmtes Material verwendet wird. Einzelne Dielektrika sind in der Lage, unter Einwirkung von Wechselstrom Schwingungen zu leiten und zu emittieren. Ferroelektrizität ist aufgrund von Temperaturänderungen bekannt.

Beim Ändern der Feldrichtungsverluste treten Verluste auf. So wie die magnetische Spannung bei Einwirkung von Baustahl teilweise in Wärme umgewandelt wird. Der dielektrische Verlust hängt hauptsächlich von der Frequenz ab. Bei Bedarf werden unpolare Isolatoren als Materialien verwendet, deren Moleküle symmetrisch sind, ohne ein ausgeprägtes elektrisches Moment. Polarisation tritt auf, wenn die Ladungen fest mit dem Kristallgitter verbunden sind. Arten der Polarisation:

1. Elektronenpolarisation tritt als Folge der Verformung der äußeren Energiehüllen von Atomen auf. UmkehrbarCharakteristisch für unpolare Dielektrika in jeder Phase einer Substanz. Aufgrund des niedrigen Elektronengewichts tritt es fast augenblicklich auf( Einheiten von fs).
2. Die Ionenpolarisierung erstreckt sich um zwei Größenordnungen langsamer und ist charakteristisch für Substanzen mit einem ionischen Kristallgitter. Dementsprechend werden die Materialien bei Frequenzen bis zu 10 GHz angewendet und haben eine große Dielektrizitätskonstante( bis zu 90 für Titandioxid).Die Dipolrelaxationspolarisation von
3. ist viel langsamer. Die Ausführungszeit beträgt Hundertstelsekunden. Die Dipolrelaxationspolarisation ist für Gase und Flüssigkeiten charakteristisch und hängt von der Viskosität( Dichte) ab. Der Einfluss der Temperatur wird verfolgt: Der Effekt bildet bei einem bestimmten Wert einen Peak.
4. In Ferroelektrika wird eine spontane Polarisation beobachtet.